认知无线网络中传输层TCP协议性能改进研究

摘要

如今稀缺的无线频谱资源不能满足需求，制约了未来无线通信技术的快速发展。认知无线电（Cognitive Radio，CR）技术可以动态检测网络中未被使用的频谱资源，并充分加以利用，可有效缓解资源短缺问题，因此认知无线电及相关网络成了当今无线电领域中热门的研究课题。然而 CR网络中针对如何改善运输层TCP协议的研究却很少。认知无线网络的时变性，传统的TCP协议无法适应，只会降低TCP传输性能及端与端之间的吞吐量。为解决这些问题，本文结合Cross-Layer和 Layer-Preserved结构，分析影响TCP协议性能的因素，对传统TCP协议性能进行改进。具体研究和改进内容如下：
　　首先，论文介绍TCP协议相关知识，如TCP的报文格式，运输连接管理和实现可靠传输所涉及的相关机制。重点介绍拥塞控制原理及四种相关算法。分析认知无线网络中影响TCP传送性能的相关因素，如授权用户活动、认知用户频谱探测与切换等。
　　接着，简述Cross-Layer结构的相关原理和理论实现过程。认知用户具有频谱探测功能，使其可以不断探测周围的空闲频谱及授权用户的接入。若授权用户出现，并探测到有空闲频谱存在，则进行频谱切换，以便不干扰授权用户活动。但认知用户频谱探测与切换会产生时延，导致重传定时器超时，迫使认知用户进入慢开始阶段，降低了端与端之间的传输性能。本文为了改善上述问题，采用TCP-MAC跨层，提出一种性能改进的认知无线网络TCP协议——TCP-CR协议。使用NS2仿真工具，基于不同网络情景，将性能改进的TCP-CR协议与TCP-Reno和TCP-Vegas协议进行传输性能比较。分析结果可以得出，TCP-CR可以缓解认知用户频谱探测及切换所带来的延时问题，有效提高网络的传输吞吐量。
　　最后，本文引入Layer-Preserved结构模型，即在传统的TCP协议中引入两个模块：知识模块（Knowledge Module,KM）和认知模块（Cognitive Module,CM）。KM模块收集并储存实现认知功能所需的相关信息，如链路往返时间RTT，超时重传定时器RTO等；CM模块则存储相关算法，利用KM模块中收集的信息，设定相应的规则，实现对现有的TCP协议的性能改进。基于NS2仿真平台，在相同的场景设置下，比较改进前后协议所带来的性能上的差异。仿真证明，相同分组丢失率下，使用改进后协议进行通信的网络，端与端之间的吞吐量有所提升，TCP传送性能得到改善。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第 1 章 绪论

1.1 引言

1.2 认知无线电及相关网络

1.3 基于认知无线网络的 TCP 研究现状

1.4 Cross-Layer 面临问题和挑战

1.5 本文主要内容及结构安排

第 2 章 TCP 协议

2.1 引言

2.2 TCP 报文格式

2.3 TCP 运输连接管理

2.4 认知无线网络中影响 TCP 协议性能的相关因素

2.5 本章小结

第 3 章 利用 Cross-Layer 结构改进认知无线网络 TCP 协议性能

3.1 引言

3.2 跨层设计简介

3.3 TCP 协议性能改进

3.4 仿真与性能分析

3.5 本章小结

第 4 章 利用 Layer-Preserved 结构改进认知无线网络 TCP 协议性能

4.1 引言

4.2 TCP 协议性能改进考虑因素

4.3 TCP 协议性能改进

4.4 仿真结果与性能分析

4.5 本章小结

第 5 章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

附 录